物理学家成功利用激光陷阱“诱捕”到霍氏蝴蝶

tuhui · *发表于* 2013-9-27 15:29:42

自从科学家们开始将激光技术运用于物理研究中以后，激光为物理领域的发现与研究突破做出了许多重要的贡献，不仅将困扰多年的谜底揭开，也将原本无法用肉眼捕捉到的东西展现在我们面前。近日，物理学家又成功利用激光陷阱“诱捕”到霍氏蝴蝶。

经过40年的苦苦追寻，物理学家们终于发现了量子物理中第一个分形图案：霍氏蝴蝶。此名取自1979年的图书《哥德尔、埃舍尔与巴赫》，本书作者同时也是普利策奖获得者道格拉斯•霍夫斯塔特，在此书中描述了极端磁场条件下的电子活动。

为了“诱捕”霍氏蝴蝶，科学家设计了特制的“网”。五月以来，若干组织陆续公布了他们利用六角晶格寻找蝴蝶的方法；上个月，另有组织宣布，已用激光陷阱“捕”到了它。

霍夫塔斯特的蝴蝶分形图

霍氏蝴蝶的首次提出曾颠覆了科学界。

在上个世纪的70年代，物理学普遍认为：电子在磁场的作用下会做圆周运动。霍氏发现，如果换成包在晶状固体的电子，则不止绕圈这么简单。急剧变化的磁场中，衡量电子能量的物理量——“能级”将一次次分层。若用图像来标明，显示出的轨迹图看起来像一只蝴蝶，跟进观察则将发现它在无限小的尺度上继续扩张。

这样的设想在当时很难被实验证实。毕竟它需要的磁场强度取决于晶格中各原子的间距。传统材料中，原子间距不到十亿分之一米；当时最好的磁场只能达到100特斯拉，而且持续时间不足一秒。

更大间距的晶格里拥有足够多的小磁场，堆起来就能产生足够的能量。五月，研究者声称已将单层碳原子面（石墨烯）堆了起来，它的碳原子像蜂窝一样紧密，顶端覆盖着同样蜂窝状的氮化硼。这样的构造相较六边形结构，能提供更大的磁感线覆盖面，也即高效的放大了磁场。

磁场构建成功后，研究者测量了复合材料导电性的离散变化，这是一种随着电子能级分层的逐步跃迁。但这样的结果并非电子活动的直接检测。实验中，霍氏蝴蝶并没有被发现，但至少证明了它是存在的。

另有一种方式可以寻得霍氏蝴蝶：让原子像电子一样活动。通过将铷原子置于接近绝对零度的低温，用一系列纵横交错的激光打在铷原子上，原子从一个出口游离到另一个。通过这样的设计，重力引导原子进行类似电子处于磁场内的圆周运动——尽管实际上并没有磁场。这个系统很容易记录单个原子的运动，更能够模拟出一个足够强大的磁场。

在探索固体中量子活动的漫漫征程中，我们期待更多像“诱捕蝴蝶”这样的实验，和更多的新现象和新见解。

通过激光技术成功诱捕到了霍氏蝴蝶，这是量子物理领域的一项重大的研究突破，让物理学家能够对霍氏蝴蝶得出进一步的了解与研究。可是说，激光技术的运用，推动着物理领域研究的不断发展，同时物理领域的进步，也让激光技术的价值备受关注。